TITOLO DEL LAVORO
Transcript
TITOLO DEL LAVORO
MISURE DI SPETTROSCOPIA DI IMMAGINE CONDOTTE SULL’ADORAZIONE DEI MAGI DI ALBRECHT DÜRER (GALLERIA DEGLI UFFIZI) Mauro Bacci1, Lara Boselli1,2, Andrea Casini1, Franco Lotti1, Marcello Picollo1, Marco Poggesi1, Lorenzo Stefani1 1) Istituto di Fisica Applicata “N. Carrara” IFAC-CNR, Via Madonna del Piano, 10 - 50019 Sesto Fiorentino (FI) 2) Università degli Studi di Ferrara – Dipartimento di Biologia ed Evoluzione, Corso Ercole I d’Este, 32 – 44100 Ferrara The importance attributed to image spectroscopy in the field of cultural heritage is due to the possibility of acquiring sequences of monochromatic images at different wavelengths. Since these images usually present a low spectral resolution, the Image Spectroscopy Laboratory at IFAC-CNR assembled a high spectral and spatial resolution hyper-spectral scanner. 1. Introduzione La spettroscopia d’immagine (IS) fornisce informazioni simili a quelle ottenibili con la spettroscopia di riflettanza a fibre ottiche (FORS), ma relative a tutti i punti della superficie compresi nell’immagine acquisita. Con questo tipo di tecnica possono essere analizzate superfici policrome piatte, come ad esempio superfici pittoriche. Organizzando opportunamente i dati ottenuti è possibile ottenere lo spettro di riflettanza di qualsiasi punto dell’ immagine registrata mediante l’uso del mouse. Rispetto ai risultati con la spettroscopia di riflettanza puntuale FORS, i dati ricavati con i sistemi IS che acquisiscono con il metodo “band sequential” hanno una bassa risoluzione spettrale e un maggiore numero d’errori sistematici. La densità spaziale delle immagini può tuttavia essere elevatissima, essendo il limite superiore più che altro imposto dai tempi di misura e dalla quantità e dimensione dei dati informatici generati. 2. Strumentazione: lo scanner iperspettrale La strumentazione progettata per le indagini di spettroscopia ottica si basa sull’acquisizione degli spettri dei singoli pixels. È un prototipo di scanner iperspettrale realizzato per il Progetto Finalizzato del CNR “Tutela del Patrimonio Culturale” in grado di operare nell’intervallo 400900nm, comprendendo quindi il visibile e il vicinissimo infrarosso (NIR). Lo scanner è costituito da una testa spettrografica, movimentata lungo due assi ortogonali di un piano verticale, che monta un'ottica dispersiva basata su un insieme prisma-reticoloprisma (ImSpector[TM] mod.V10), con una fenditura di 25 μm. Figura 1 - ImSpector[TM]: schema di principio Lo spettrografo è collegato ad una camera Hamamatsu ORCA-ERG, la cui sensibilità è maggiore rispetto a quella delle normali camere CCD interline transfer, specialmente nel NIR. L’illuminazione è garantita da due illuminatori lineari a fibre ottiche Schott-Fostec a fasci incrociati a 45° e terminati con lenti cilindriche, che approssimano una delle geometrie stabilite dalla CIE (Commision Internationale de l’Éclairage) per misure della componente diffusa del colore. Il movimento di tale sistema avviene solidalmente con la testa, assicurando uniformità d‘illuminazione e limitata esposizione alla radiazione dell’opera in esame poiché istante per istante viene illuminata solo la parte dell’opera interessata dalla misura. La misura dei valori d’illuminazione, effettuata con un misuratore di radiazione Vis e UVA ELSEC 764, ha verificato che la dose di luce con rapporto UVA/Vis non superiore a 75 μW/lumen ricevuta durante una scansione è confrontabile a quella ricevuta in circa 12 ore di esposizione museale. Durante la scansione i movimenti dei due assi ortogonali consentono di investigare un’area quadrata delle dimensioni massime di 98 cm di lato in un tempo inferiore alle quattro ore. La copertura dell’area di misura è ottenuta con la giustapposizione di più scansioni verticali parallele sovrapponibili ai bordi, ciascuna delle quali interessa una striscia di circa 45 mm. La densità di campionamento spaziale è di 11.4 punti per millimetro (284 ppi), mentre la densità spettrale è di circa 1.12 punti per nanometro. Con questa densità si acquisiscono 447 bande nell’intervallo spettrale di misura. L’elevato campionamento spettrale consente sia analisi spettroscopiche accurate, sia calcoli colorimetrici precisi. I dati acquisiti sono rielaborati successivamente all’acquisizione e condensati in un unico file, chiamato “file cubo” perché definito in tre dimensioni: le due dimensioni spaziali della superficie del dipinto e la dimensione delle lunghezze d’onda. I valori registrati nel cubo spettrale alla medesima lunghezza d’onda possono essere rappresentati come immagine della riflettanza a quella lunghezza d’onda. I valori registrati in un punto della superficie dipinta, possono essere rappresentati in un grafico come spettro della riflettanza in quel punto. 3 Un caso di studio: analisi del dipinto “Adorazione dei Magi” (1504) di Albrecht Dürer (Galleria degli Uffizi) Il dipinto su tavola Adorazione dei Magi (~ 113x99 cm) di Albrecht Dürer è stato acquisito in due scansioni: una di circa 92x95 cm relativa alla zona destra della tavola ed una di circa 42x95 cm per la parte rimanente a sinistra, più una fascia di sovrapposizione (Figura 2). La traslazione necessaria per realizzare le due inquadrature è stata ottenuta spostando il cavalletto parallelamente rispetto al piano di scansione. Tale spostamento, attuato su un pavimento irregolare, ha introdotto piccole rotazioni e traslazioni nel piano di ripresa. L’obiettivo telecentrico (zona di telecentricità di ± 1.5 cm) usato per permettere la scansione di dipinti su tavola non perfettamente planari, rende tollerabili piccoli errori in profondità commessi in seguito al riposizionamento. Nel caso della tavola del Dürer, si è cercato di ottenere la complanarità della zona di sovrapposizione controllando le distanze con un misuratore ad ultrasuoni che, pur avendo una discreta sensibilità (0.25 mm), fornisce misure mediate su aree circolari di circa dieci centimetri di diametro. Per ricongiungere i dati delle due scansioni in un unico file cubo, è stato necessario applicare una trasformazione di roto-traslazione a tutte le immagini spettrali della scansione di sinistra per renderle coincidenti con quelle della scansione di destra nella fascia di sovrapposizione. Con lo strumento usato non è stato possibile ottenere una registrazione perfetta a causa della leggera distorsione ottica lungo i segmenti di ciascuna strisciata. Una versione migliorata dello spettrografo, che mantiene tali errori sotto il campionamento spaziale e spettrale, dovrebbe consentire migliori precisioni di registrazione. Un ulteriore problema riscontrato durante la ripresa è la presenza di una zona più scura sulle parti inferiori di ciascuna scansione visibile in Figura 2. Tale zona è dovuta all’ombra proiettata dal supporto sporgente del cavalletto che intercetta il fascio di luce inferiore. Per evitare i problemi di ripresa sopra esposti, occorrerebbe disporre di supporti mobili adeguati, come quelli di cui sono dotati alcuni importanti centri di ricerca e restauro. Figura 2 - Inquadrature delle due scansioni A causa della loro dimensione (13061x10911pixel), non si possono riportare le immagini per intero in scala 1:1. A titolo di esempio, in Figura 3 è riportato un particolare ritagliato dall’immagine colorimetrica e quello corrispondente nell’immagine in infrarosso. Figura 3 - Particolare dell’immagine colorimetrica (sinistra) e di quella in infrarosso 880 nm (destra) Per la diagnosi dei pigmenti è più agevole lavorare con minore risoluzione spaziale, ad es. sottocampionando cinque volte. File cubo sottocampionati si possono ottenere con un programma di editing appositamente sviluppato. Esso consente anche di estrarre sottocubi spazialmente limitati ad una regione d’interesse, facilitando l’applicazione d’algoritmi il cui tempo d’esecuzione dipenda fortemente dalla quantità dei dati. Nel dettaglio, l’algoritmo delle “componenti principali” (PCA), di cui si riporta un caso di applicazione in Figura 4, permette di sintetizzare la variabilità dei dati in poche immagini fra loro “decorrelate”. L’automaticità di questo tipo di algoritmo, a cui si possono imporre solo la zona spaziale e l’intervallo spettrale su cui operare, permette talvolta di evidenziare differenze fra zone reputate simili ad una prima analisi visiva. E’ il caso delle maniche della veste del personaggio del ladro, sull’estremo destro della tavola, la cui disomogeneità appare evidente nell’immagine della quarta componente principale (PC4) in Figura 4. Andando a confrontare le curve di riflettanza delle due zone, si osserva una forte diversità, confermata anche dagli spettri FORS relativi ai punti di misura 16 e 17. Da questi ultimi, infatti, emerge più chiaramente che il pigmento usato per la parte inferiore delle maniche (punto 17) è una lacca rossa schiarita con biacca, mentre quello usato per la loro parte superiore (punto 16) è plausibilmente ocra gialla miscelata a minio/orpimento. Figura 4 - Dettaglio dell’immagine visibile e della quarta componente principale; a destra sono riportati gli spettri di riflettanza relativi ai punti 16 (in alto) e 17 (in basso). 4. Conclusioni I risultati ottenuti dall’analisi dell’opera Adorazione dei Magi di Albrecht Dürer dimostrano l’alta qualità/versatilità dei dati acquisiti con lo scanner iperspettrale, che risulta così essere un utile strumento per l’archiviazione delle immagini digitali e per applicazioni nel campo delle arti grafiche. Inoltre, l’informazione iper-spettrale è stata di notevole importanza nella fase di caratterizzazione dei materiali pittorici, portando a conclusioni supportate dalla diagnosi condotta mediante la tecnica FORS. Ringraziamenti Gli autori ringraziano il direttore della Galleria degli Uffizi, Antonio Natali, per avere messo a disposizione il dipinto per l’acquisizione delle riprese. Bibliografia essenziale H. Laamanen, Spectral color and spectral color image analysis, University of Joensuu, Department of Physics and Mathematics, Dissertions 57, 2007. C. Fischer, I. Kakoulli, Multispectral and hyperspectral imaging technologies in conservation: current research and potential applications, Reviews in Conservation, No. 7, 2006, p.3. A. Casini, M. Bacci, C. Cucci, F. Lotti, S. Porcinai, M. Picollo, B. Radicati, M. Poggesi, L. Stefani, Fiber optic reflectance spectroscopy and hyper-spectral image spectroscopy: two integrated techniques for the study of the “Madonna dei Fusi”, SPIE Conf. 5857 “Optical Methods for Arts and Archaeology”, Munich 13-14 June 2005. A. Casini, F. Lotti, M. Picollo, L. Stefani, E. Buzzegoli, Image spectroscopy mapping technique for non-invasive analysis of paintings, Studies in Conservation, No. 44, 1999, p.39.